Bài giảng Cơ sở vật lý cho Tin học - Chương 3: Trường tĩnh điện

Bài giảng Cơ sở vật lý cho Tin học - Chương 3: Trường tĩnh điện, cung cấp cho người học những kiến thức như: Điện tích; Tương tác tĩnh điện. Định luật Culông; Nguyên lý chồng chất tương tác tĩnh điện; Điện trường; Điện thông. Định lý Ostrogradski- Gauss; Điện thế. Hiệu điện thế; Năng lượng điện trường;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chương 3 Trường tĩnh điện Bài 3.1 Điện tích

Khái niệm điện tích.

Sự nhiễm điện của các vật.

Khi cọ xát như vật như thanh thủy tinh, thanh nhựa, mảnh vải polietilen, vào dạ hoặc lụa thì những vật đó có thể hút được những vật nhẹ như mẩu giấy, sợi bông Ta nói rằng những vật đó đã bị nhiễm điện.

Thí dụ :

+ Cọ xát thủy tinh vào lụa, kết quả là thủy tinh và lụa đều bị nhiễm điện.

+ Vật dẫn A không nhiễm điện Khi cho A tiếp xúc với vật nhiễm điện B thì A nhiễm điện cùng dấu với B.

+ Cho đầu A của thanh kim loại AB lại gần vật nhiễm điện C, kết quả đầu A tích điện trái dấu với C và đầu B tích điện cùng dấu với C.

Điện tích: Vật bị nhiễm điện còn gọi là vật mang điện, vật tích điện hay vật chứa điện tích

Điện tích điểm: là một vật tích điện có kích thước rất nhỏ so với khoảng cách tới điểm mà ta xét Điện tích điểm là điện tích được coi như tập trung tại một điểm.

Chương 3 Trường tĩnh điện Bài 3.1 Điện tích

Khái niệm điện tích nguyên tố.

Điện tích nguyên tố thường ký hiệu là e, là điện tích của một proton , điện tích trái dấu mang là điện tích của một electron e=1,6.10 -19 C

Có hai loại điện tích là điện tích dương (+) và điện tích âm (-).

Chương 3 Trường tĩnh điện Bài 3.2 Tương tác tĩnh điện Định luật Culông

Tương tác tĩnh điện.

Là tương tác của các điện tích đứng yên

Định luật Culông.

• Phương nằm trên đường thẳng nối hai điện tích

• Chiều đẩy nhau nếu hai điện tích cùng dấu, hút nhau nếu hai điệntích trái dấu

• Độ lớn tỷ lệ với tích độ lớn hai điện tích, tỷ lệ nghịch với bìnhphương khoảng cách giữa hai điện tích

1 2

0

1 4

.

9

C

m N

k 



Với  là đại lượng đặc trưng cho tính chất điện của môi trường và được gọi là hằng số điện môi của môi trường

Chương 3 Trường tĩnh điện Bài 3 3 Nguyên lý chồng chất tương tác tĩnh điện

Chương 3 Trường tĩnh điện Bài 3 4 Điện trường

 Khái niệm: Điện trường là môi trường vật chất đặc biệt tồn tại xung quanh các điện tíchđứng yên, là nhân tố trung gian để truyền lực tương tác giữa các điện tích đứng yên vớinhau

 Đặc điểm: Lực điện trường luôn tác dụng lực lên điện tích đặt trong điện trường đó

Vecto cường độ điện trường.

Định nghĩa:

Véc tơ cường độ điện trường tại một điểm là đại lượng đặc trưng cho sức mạnh, phương, chiều của điện trường và được xác định bằng lực của điện trường tác dụng lên một đơn vị điện tích dương đặt tại điểm đó.

0

q

F E







Độ lớn

2 0

1 4

M

q E

r

 

Vecto cường độ điện trường của điện tích điểm

Chương 3 Trường tĩnh điện Bài 3.4 Điện trường

Nếu có một hệ điện tích điểm q1, q2, q3, gây ra điện trường, ta có véc

tơ cường độ điện trường do hệ điện tích điểm gây ra tại một điểm đượcxác định:

Nhận xét:

- Nếu q là điện tích dương thì véc tơ cường độ điện trường

có chiều đi ra xa điện tích.

- Nếu q là điện tích âm thì véc

tơ cường độ điện trường có chiều đi vào điện tích.

M

q > 0

M

q < 0

Véc tơ cường độ điện trường của hệ điện tích điểm

Vecto cường độ điện trường của điện tích điểm

Chương 3 Trường tĩnh điện Bài 3.4 Điện trường

Chương 3 Trường tĩnh điện Bài 3.5 Điện thông Định lý Ostrogradski- Gauss

- Định nghĩa: Đường sức điện trường là đường mà tiếp tuyến tại mỗi điểm của nó trùng với phương

của véc tơ cường độ điện trường tại điểm đó và có chiều đường sức là chiều của vecto cường độ điện trường.

- Đặc điểm: Là đường cong hở, xuất phát từ điện tích dương, kết thúc ở điện tích âm.

Đường sức điện

- Quy ước về số đường sức điện vẽ qua 1 đơn vị diện tích đặt vuông góc với đường sức tỷ lệ với độ

lớn của vecto cường độ điện trường tại điểm đó.

Chương 3 Trường tĩnh điện Bài 3.5 Điện thông Định lý Ostrogradski- Gauss

Chia S thành những diện tích dS vô cùng

nhỏ, sao cho điện trường qua dS là đều: d   E E dS  EdS cos 

Điện thông qua diện tích S là: E E cos

Điện thông qua 1 diện tích S còn gọi là thông lượng điện

trường gửi qua diện tích đó Điện thông qua S có độ lớn

xác định bằng số đường sức điện vẽ qua S và có dấu

dương hay âm phụ thuộc cách chọn chiều pháp tuyến của

Định lý O – G: Điện thông gửi qua mặt kín bất kỳ bao

quanh các điện tích bằng tổng đại số các điện tích

nằm trong mặt kín đó chia cho tích của hằng số điện

và hằng số điện môi của môi trường

Ta chứng minh như sau:

kin

i E

Vì các đường sức đi qua mặt cầu đều đi qua mặt

kín, nên điện thông qua mặt kín S và mặt cầu như

Do tính đối xứng của mặt cầu nên véc tơ cường độ

điện trường tại mọi điểm trên mặt cầu có độ lớn

bằng nhau và có phương vuông góc với mặt cầu

tức là trùng với phương véc tơ pháp tuyến

Dưới tác dụng của điện trường gây bởi điện tích Q điện tích q0 dịchchuyển theo đường cong từ M đến N

Chương 3 Trường tĩnh điện Bài 3.6 Điện thế Hiệu điện thế

Chứng minh điện trường là một trường lực thế

dr

N a

Q

q0

M

Kết luận: Điện trường là một trường lực thế.

Chương 3 Trường tĩnh điện Bài 3.6 Điện thế Hiệu điện thế

Chứng minh điện trường là một trường lực thế

Vì điện trường là trường lực thế, nên công của lực điện trường làmdịch chuyển điện tích trong điện trường có giá trị bằng độ giảm thếnăng của điện tích trong quá trình đó.

Với C là hằng số tùy ý, nếu ta chọn thế năng của điện tích q0 khi ở xa

vô cùng so với Q là bằng không thì C = 0

Chương 3 Trường tĩnh điện Bài 3.6 Điện thế Hiệu điện thế

Thế năng của điện tích trong điện trường

Ý nghĩa của thế năng trong điện trường

-Thế năng của điện tích trong điện trường đặc trưng cho công của lực điện trường dịch chuyển điện tích q 0 từ vị trí mà ta đang xét ra xa vô cùng.

Chương 3 Trường tĩnh điện Bài 3.6 Điện thế Hiệu điện thế

Thế năng của điện tích trong điện trường

0 0

( ) ( )

Tỷ số này không phụ thuộc q0 nhưng lại phụ thuộc vị trí đặt q0 nên

ta gọi tỷ số này là điện thế gây ra bởi điện tích Q tại vị trí cách Qmột khoảng r

- Điện thế do một điện tích điểm

V

4

) (

V

1 4 0 .

) (





Chương 3 Trường tĩnh điện Bài 3.6 Điện thế Hiệu điện thế

Điện thế và hiệu điện thế

Ý nghĩa của điện thế tại một vị trí trong điện trường

Chương 3 Trường tĩnh điện Bài 3.6 Điện thế Hiệu điện thế

Điện thế và hiệu điện thế

UMN = VM - VN

U = E.d

Đơn vị của điện thế và hiệu điện thế là Vôn (Ký hiệu: V)

Trong điện trường đều E, điện trườngluôn hướng từ nơi có điện thế cao sangnơi có điện thế thấp hơn nên nếu haiđiểm cách nhau d, có hiệu điện thế U thìmối liên hệ giữa chúng là:

Hiệu điện thế giữa 2 điểm M, N trong điện trường đặc trưng cho côngcủa lực điện trường dịch chuyển điện tích +1C từ vị trí M đến vị trí N

Ý nghĩa của hiệu điện thế

q V

q V

Chương 3 Trường tĩnh điện Bài 3.7 Năng lượng điện trường

Năng lượng của hệ gồm 2 điện tích điểm

Năng lượng của hệ gồm n điện tích điểm

2 0

1

2

Chương 3 Trường tĩnh điện Bài 3.7 Năng lượng điện trường

Mật độ năng lượng điện trường

Mật độ năng lượng điện trường